Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Согласно рентгенографическим исследованиям, проведенным на жидкостях, установлено, что при температурах, близких к точке кристаллизации, жидкое состояние обнаруживает значительную степень упорядоченности, сохраняя расположение атомов, свойственное кристаллической решетке. При этом размещение атомов в жидкости определяется теми же силами, что и в твердом состоянии. Переход металлов в жидкое состояние связан с повышением концентрации вакансий, достигающей при плавлении, как 'правило, критического значения.
Таким образом, при нагреве соединяемых металлов и припоя в условиях пайки происходит понижение
12
энергии активации * атомов основного металла и припоя.
В зависимости от температур, при которых протекает пайка, значение указанных факторов будет различным.
При нагреве до температуры пайки основной металл и припой могут претерпевать полиморфные превращения, т. е. переходить из одного кристаллического состояния в другое, а припой — еще и изменение агрегатного состояния. Эти фазовые переходы I рода связаны со значительным поглощением теплоты и сопровождаются, как правило, увеличением объема. В некоторых металлах при нагреве основного металла и припоя возможны также фазовые переходы II рода) не сопровождающиеся заметным поглощением теплоты или изменением объема (магнитные превращения, переходы из упорядоченного состояния в неупорядоченное). Происходящим при пайке аллотропическим превращениям и плавлению в системе основной металл — припой предшествует процесс активации атомов, возникновение флуктуаций** новой фазы в старой, зарождение и рост новой фазы. При переходе через точку превращения постепенно исчезают флуктуации старой фазы и понижается концентрация активированных атомов в новой фазе. Это свидетельствует о том, что период активированного состояния атомов распространяется на довольно широкий температурный интервал.
Концентрация активированных атомов в основном металле и припое по мере приближения к температуре превращения нарастает по экспоненциальному закону:
N = N0e-Q'kT,
где N — количество активированных атомов в единице объема; N0—общее количество атомов в единице объема; Q—энергия активации, дж/г-атом (кал/г • атом);
& —постоянная Больцмана, равная 1,38 • 10-23 дж/град (1,38- 1СН6 эрг/град)-, Т— абсолютная температура.
В фазовых переходах II рода при переходе через критическую точку также происходит активация атомов
• Энергией активации называется избыточная энергия молекул по сравнению со средним ее значением. Чем больше энергия активации, тем медленнее при дайной температуре протекает химическая реакция.
** Флуктуациями называют временные, случайные отклонения в системе от состояния равновесия.
13
металлов. Таким образом, фазовые переходы I и II родов способствуют повышению поверхностной энергии границы раздела основной металл — расплав припоя.
На начальной стадии взаимодействия образование общей границы твердого и жидкого металлов при пайке связано со стремлением системы снизить межфазную энергию. При этом первоначально образующиеся связи в зависимости от природы реагирующих веществ могут быть обусловлены физической адсорбцией или хемосорбцией * [11—13].
Пайка в общем случае может осуществляться в среде нейтральных или активных газов, а также на воздухе под слоем растворов или расплавов различных флюсующих веществ, с которыми металлы в зависимости от химизма флюсования могут в той или иной степени взаимодействовать. Реакции в зоне пайки при этом могут протекать по различным направлениям. Наиболее быстро протекает реакция, которая имеет наименьшую энергию активации. Если реакция не требует разрыва имеющихся в поверхностном слое основного металла и припоя связей, то в первую очередь по ним будет протекать взаимодействие. На границе основной металл •— расплавленный припой могут протекать взаимодействия металлов с газами, продуктами разложения окисных и других пленок, флюсами. Поэтому наличие на поверхности металлов адсорбированных или химически связанных пленок приведет к уменьшению количества взаимодействий между атомами основного металла и расплавленного припоя и, в итоге, к снижению прочности спая. Это обстоятельство, а также сообщение поверхностным атомам твердого и жидкого металлов дополнительной энергии активации вынуждают обращать особое внимание на удаление с поверхности взаимодействующих металлов окисных пленок и прослоек, разграничивающих взаимодействующие твердый и жидкий металлы.
После удаления окисных пленок, как только температура нагрева достигнет точки плавления припоя, а атомы металлов — требуемого уровня энергии активации, начинается взаимодействие, в процессе которого проис-
* Хемосорбция, или активированная адсорбция, характерна тем, что количество тепла, выделяемое при этом процессе, то же, что и при химической реакции.
14
ходит смачивание расплавом припоя поверхности основного металла.
В процессе смачивания две свободные поверхности заменяются одной границей фаз между твердым металлом и расплавом припоя с более низкой свободной поверхностной энергией системы. Поэтому образовавшиеся в отдельных местах связи очень быстро распространяются по всей площади контакта основной металл — расплав припоя. На этой стадии образования спая основную роль начинают играть квантовые процессы между частицами атомных размеров. Взаимодействие между ними проявляется в притяжении или отталкивании, интенсивность и характер которых изменяются в зависимости от природы металлов и внешних условий процесса. Поскольку при пайке взаимодействие происходит, главным образом, между разнородными металлами, то возможность образования соединений между атомами металлов определяется конфигурацией их внешнего электронного слоя. В том случае, когда он близок к насыщению электронами, атом проявляет большую склонность к захвату чужих электронов. При малом количестве электронов на внешних слоях атома он легко отдает их при взаимодействии с другими атомами. С позиций классической физики электрон для перехода на орбиту другого атома должен преодолеть потенциальный барьер, имея для этого необходимую энергию активации. Величина этой энергии зависит от расстояния между атомами. При больших расстояниях она равна энергии связи электрона на соответствующей орбите (потенциалу ионизации). С сокращением расстояния между атомами энергия активации электрона уменьшается и обращается в нуль, когда орбиты перекрываются [14].
